پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bond): نیروی جاذبۀ بینمولکولی بسیار قوی
آشنایی با دنیای نیروهای بینمولکولی
همهٔ مواد از ذرات ریزی به نام مولکول8 ساخته شدهاند. این مولکولها دائماً در حال حرکت و لرزش هستند. اما چه چیزی آنها را کنار هم نگه میدارد و مانع از پراکنده شدنشان میشود؟ پاسخ، نیروهای بینمولکولی9 است. این نیروها مانند آهنرباهای بسیار ضعیفی عمل میکنند که مولکولها را به یکدیگر میچسبانند. پیوند هیدروژنی، قویترین نوع از این نیروهاست.
پیوند هیدروژنی چگونه شکل میگیرد؟
برای تشکیل این پیوند، سه بازیگر اصلی نیاز است:
- یک دهندهٔ هیدروژن (Donor): یک مولکول که در آن یک اتم هیدروژن به یک اتم الکترونگاتیو قوی (عمدتاً O, N, F) با یک پیوند کووالانسی10 متصل است. این پیوند، هیدروژن را کمی مثبت ($\delta +$) میکند.
- یک پذیرنده (Acceptor): یک اتم الکترونگاتیو دیگر (O, N, F) در یک مولکول مجاور که دارای یک یا چند جفت الکترون ناپیوندی (جفت الکترون اشتراک گذاشته نشده) است و بار جزئی منفی ($\delta -$) دارد.
- اتم هیدروژن که نقش پل را ایفا میکند: این اتم هیدروژنِ کمی مثبت، جذب بار منفی اتم پذیرنده میشود و یک پیوند ضعیف ولی مهم بین دو مولکول ایجاد میکند.
بهترین مثال، مولکول آب ($H_2O$) است. اتم اکسیژن در آب، الکترونگاتیو است و هیدروژنها را به سمت خود میکشد، در نتیجه هیدروژنها کمی مثبت و اکسیژن کمی منفی میشود. حالا هیدروژنِ یک مولکول آب میتواند با اکسیژنِ مولکول آب دیگر پیوند هیدروژنی برقرار کند.
| نوع نیرو | قدرت نسبی | نمونه | توضیح |
|---|---|---|---|
| پیوند هیدروژنی | قویترین (~10-40 kJ/mol) |
آب ($H_2O$) | بین H متصل به O،N،F و یک O،N،F دیگر. |
| نیروهای دوقطبی-دوقطبی11 | متوسط (~5-20 kJ/mol) |
کلرید هیدروژن ($HCl$) | جاذبه بین قطبهای مثبت و منفی مولکولهای قطبی. |
| نیروهای لاندن (پراکندگی)12 | ضعیفترین (~0.5-10 kJ/mol) |
متان ($CH_4$)، گاز نجیب | در همه مولکولها وجود دارد؛ ناشی از حرکت موقت الکترونها. |
تأثیر شگفتانگیز پیوند هیدروژنی بر خواص مواد
این نیروی نامرئی، مسئول بسیاری از ویژگیهای غیرعادی و حیاتی در جهان است:
- نقطه جوش و ذوب بالا: مولکول آب ($H_2O$) جرم مولکولی کمی دارد. اگر پیوند هیدروژنی نبود، مانند مولکولهای مشابه (مانند $H_2S$)، در دمای حدود -80°C جوش میآمد! اما به لطف شبکهٔ وسیع پیوندهای هیدروژنی، برای جدا کردن مولکولهای آب از هم و تبخیر شدن آنها، انرژی بیشتری (گرمای بیشتر) لازم است. به همین دلیل آب در 100°C میجوشد و این برای ادامهٔ حیات بر روی زمین ضروری است.
- چگالی غیرعادی یخ: در حالت مایع، مولکولهای آب با پیوندهای هیدروژنی به هم متصل اما در حال حرکتند. وقتی آب یخ میزند، این پیوندها مولکولها را در یک ساختار کریستالی13 گسترده و منظم با فضاهای خالی قرار میدهند. در نتیجه، یخ از آب مایع سبکتر است و روی آن شناور میماند. این پدیده نادر، باعث میشود دریاها و رودخانهها از پایین به بالا یخ نزنند و آبزیان در زمستان زنده بمانند.
- حلالیت عالی: آب «حلال جهانی»14 نامیده میشود زیرا بسیاری از مواد را در خود حل میکند. اگر مادهای بتواند با آب پیوند هیدروژنی برقرار کند (مانند نمکها، شکر، الکل)، به راحتی در آب حل میشود. همین اتفاق در بدن ما میافتد و مواد مغذی را به سلولها میرساند.
- کشش سطحی و مویینگی: آیا تا به حال دیدهاید که یک حشره میتواند روی سطح آب راه برود یا آب در یک لولهٔ باریک از جاذبه بالا میرود؟ این پدیدهها به دلیل کشش سطحی بالا و خاصیت مویینگی15 آب است که حاصل نیروی پیوند هیدروژنی قوی بین مولکولهای سطح آب است.
پیوند هیدروژنی در خدمت حیات: از DNA تا پروتئینها
شاید مهمترین نقش پیوند هیدروژنی در ساختمان مواد ژنتیکی و سازندهٔ بدن موجودات زنده باشد.
مثال ۱: نردبان مارپیچ DNA مولکول DNA که حاوی اطلاعات وراثتی ماست، شبیه یک نردبان مارپیچ است. «پلههای» این نردبان از جفت بازهای آلی16 ساخته شدهاند. این بازها (مانند آدنین با تیمین و گوانین با سیتوزین) دقیقاً توسط دو یا سه پیوند هیدروژنی به هم متصل میشوند. این الگوی خاص، امکان کپیبرداری دقیق از اطلاعات ژنتیکی در هنگام تقسیم سلول را فراهم میکند.
مثال ۲: ساختار پروتئینها پروتئینها زنجیرههای بلندی از اسیدهای آمینه17 هستند. شکل سهبعدی فعال یک پروتئین (که تعیینکنندهٔ وظیفهٔ آن است) توسط انواعی از پیوندها تثبیت میشود که یکی از مهمترین آنها پیوند هیدروژنی است. به عنوان مثال، ساختار مارپیچ آلفا18 و صفحهٔ بتا19 در پروتئینها، مدیون پیوندهای هیدروژنی است.
پیوند هیدروژنی در زندگی روزمره و صنعت
این پیوند تنها محدود به آزمایشگاه نیست، بلکه در اطراف ما حضور پررنگی دارد:
- پخت و پز: وقتی پاستا یا برنج را میپزید، مولکولهای آب با تشکیل پیوند هیدروژنی با مولکولهای نشاسته، باعث نرم و خوشطعم شدن آنها میشوند.
- شستوشو: مولکولهای صابون و مواد شوینده قسمتی دارند که میتواند با آب پیوند هیدروژنی برقرار کند و قسمتی که چربیها را در خود حل میکند. این ساختار به آنها کمک میکند چربیها را از روی سطوح جدا کنند.
- طعم و بوی مواد: شکل مولکولهای مواد معطر (مثل نعنا یا وانیل) به گونهای است که میتواند با گیرندههای حس بویایی و چشایی ما پیوند هیدروژنی برقرار کند و باعث احساس طعم و بو شود.
- صنعت پلاستیک و الیاف: پلیمرهای20 طبیعی مانند پنبه و ابریشم و پلیمرهای مصنوعی مانند نایلون، استحکام خود را از پیوندهای هیدروژنی بین زنجیرههای بلند مولکولی میگیرند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. شرط اصلی این است که اتم هیدروژن به یک اتم الکترونگاتیو قوی (عمدتاً اکسیژن، نیتروژن یا فلوئور) پیوند خورده باشد. در مولکولهایی مانند متان ($CH_4$)، هیدروژن به کربن (که الکترونگاتیوی نسبتاً پایینی دارد) متصل است، بنابراین پیوند هیدروژنی تشکیل نمیدهد.
پاسخ:
- پیوند هیدروژنی بینمولکولی بین دو مولکول مجزا رخ میدهد (مانند پیوند بین مولکولهای آب). این نوع، خواص فیزیکی مانند نقطه جوش را تحت تأثیر قرار میدهد.
- پیوند هیدروژنی درونمولکولی در داخل یک مولکول بزرگ و اغلب حلقوی شکل میگیرد (مانند برخی اسیدهای چرب یا مولکولهای آلی خاص). این نوع، بر شکل مولکول تأثیر میگذارد.
پاسخ: فلوئور بسیار الکترونگاتیو و کوچک است. وقتی به هیدروژن متصل میشود (مثلاً در $HF$)، پیوند هیدروژنی قوی ولی فقط خطی و محدود تشکیل میدهد (هر مولکول $HF$ تنها میتواند دو پیوند هیدروژنی ایجاد کند). اما اکسیژن در آب میتواند با دو جفت الکترون ناپیوندی خود، شبکهٔ سهبعدی گستردهتری از پیوندهای هیدروژنی بسازد که در کل قویتر است.
پاورقی
1. Hydrogen Bond
2. Hydrogen Atom
3. Electronegative
4. Oxygen
5. Nitrogen
6. Fluorine
7. Lone Pair (of electrons)
8. Molecule
9. Intermolecular Forces
10. Covalent Bond
11. Dipole-Dipole Forces
12. London Dispersion Forces
13. Crystalline Structure
14. Universal Solvent
15. Capillarity
16. Organic Bases
17. Amino Acids
18. Alpha Helix
19. Beta Sheet
20. Polymers
21. Electrostatic Attraction
